Методические рекомендации по организации работы с одаренными детьми
Моделирование черных дыр на суперкомпьютере
жүктеу/скачать 5.53 Mb.
|
- Бұл бет үшін навигация:
- Определена масса SS433
- Открыта космическая струна
- Прикроемся подушкой
- Разгадана одна из самых таинственных загадок Вселенной
- Связь с космосом
- С крученное Землей пространство
- Темная материя выпадает в осадок
- Ученые сделали будущее еще чернее
- Черная дыра разорвала звезду: прямые наблюдения
Моделирование черных дыр на суперкомпьютере Современные суперкомпьютеры моделируют мощные энергетические джеты (струи), выходящие из черных дыр - самых экзотических и мощных объектов во Вселенной. "Эти исследования помогут нам открыть загадку черных дыр и подтвердить, что вследствие их вращения действительно происходит выход энергии," - говорит астрофизик Дэвид Мейер (David Meier), один из соавторов статьи, которая скоро выйдет в международном научном журнале Science. Черные дыры - это сверхплотные объекты с такой сильной гравитацией, что даже свет не может из них выйти. Черные дыры захватывают в себя любое приблизившееся к ним вещество, включая другие черные дыры. Эти необычные объекты образуются одним из двух способов - при коллапсе звезды или когда много звезд и черных дыр коллапсируют вместе в ядре галактики. О  ба типа черных дыр могут вращаться очень быстро, увлекая за собой пространство вокруг них. Когда много вещества падает на черную дыру, оно закручивается, как в водовороте. С помощью рентгеновских и радионаблюдений астрономы могут быть свидетелями таких событий, в том числе и струй из черных дыр, но они не могут увидеть саму черную дыру.
"Мы не можем совершить путешествие к черной дыре, и мы не можем сделать ее в лаборатории - поэтому мы используем суперкомпьютеры," - продолжает Мейер. С помощью компьютеров ученые объединяют данные о плазме, падающей на черную дыру, и свои познания того, как гравитация и магнитные поля могут воздействовать на плазму. Ученые также исследуют способы того, как магнитное поле может использовать энергию вращения черной дыры и образовывать мощные струи. Феномен струй был предсказан Роджером Блэндфордом и Романом Знажеком в 1970-х годах. Новые компьютерные исследования подтверждают это предсказание. Последние работы были проведены в конце 2001-го года с помощью суперкомпьютера японского института National Institute for Fusion Science. Объекты со струями в ядрах галактик были идентифицированы в начале 1900-х годов. В 1960-х годах ученые исследовали возможность того, что этими объекты со струями могут быть сверхмассивные черные дыры с массами от одного миллиона до нескольких миллиардов масс Солнца. В 1990-х годах было установлено, что такие струи могут испукаться менее массивными черными дырами в двойных звездных системах. Черная дыра с массой в десять масс Солнца может образоваться при коллапсе звезды массой от 20 до 30 масс Солнца. При этом образуется крошечный невидимый объект размером всего лишь в несколько километров, но с очень мощным гравитационным полем. Сверхмассивные черные дыры образуются при коллапсе большого количества звезд и черных дыр в ядрах галактик. 
Трехмерная иллюстрация показывает (Рис. 1), как вблизи вращающейся черной дыры перекручиваются силовые линии магнитного поля в падающей на черную дыру плазме. Черная сфера в центре рисунка - это сама черная дыра, а желтая область вокруг нее представляет область закрученного пространства. Красные линии показывают линии магнитного поля, проходящие через область закрученного пространства, а зеленые - магнитные линии, еще не входящие в эту область. На других картинках представлена компьютерная эволюция черной дыры. Слева вверху - плазма медленно падает по направлению к черной дыре, линии магнитного поля в плазме показаны белыми линиями. На следующих картинках движение плазмы сильно ускоряется. Однако вращающаяся черная дыра закручивает само пространство (и линии магнитного поля) и испускает мощное электромагнитное излучение в направлениях северного и южного полюсов (показано красным и белым цветом), которое захватывает с собой частицы плазмы и образует струи. Определена масса SS433 Наконец-то удалось померить массу компактного объекта в уникальной системе SS433. В этой системе массивная звезда в сверхкритическом темпе (выше Эддингтоновского предела) истекает на компактный объект. В результате чего большая часть этого вещества (а темп аккреции в этой системе составляет примерно 10–4Mсолн./год) выбрасывается из системы, образуя вокруг компактного объекта непрозрачную истекающую оболочку дискообразной формы. Кроме того, вдоль оси аккреционного диска бьют два джета – узкие струи вещества движущегося со скоростью 0.26 c (80 000 км/с). Причем эта околосветовая скорость движения вещества в струях не изменяется ни при вариациях темпа перетекания вещества, ни при изменении направления струй (диск в этой двойной системе меняет свою ориентацию в пространстве – прецессирует). [Приведенная в начале статьи иллюстрация сделана на основе наблюдательных данных и, по-видимому, близка к действительности.] В общем, система была известна давно и всегда привлекала внимание астрономов из-за своих уникальных особенностей (я перечислил только часть того, что в ней открыли). Массу оптической звезды в ней удалось измерить с достаточно хорошей точностью, а вот с компактным объектом была очень большая проблема: результаты различных измерений давали в несколько раз различающиеся массы – от 1 массы Солнца до 10 и даже больше. То есть нельзя было даже сказать что за объект прячется под непрозрачной оболочкой – черная дыра или нейтронная звезда. На самом деле двойная звезда – самый удобный объект для определения массы в астрономии. Если вы знаете период ее обращения (с момента измерения периода мы и начинаем, обычно, считать звезду двойной) и вам удалось померить по эффекту Допплера изменение лучевой скорости одного из компонент системы – вы немедленно получаете нижнюю оценку массы второй звезды (не той, лучевые скорости которой вы мерили). А если вы по каким-либо другим данным знаете как плоскость орбиты системы наклонена к лучу зрения (для SS 433 наклон орбиты известен по наблюдению прецессии джетов и по затменям), то нижняя граница массы превращается в достаточно хорошо определенное значение. Кривая лучевых скоростей компактного объекта по линиям излучения релятивистских джетов была построена давно и позволила оценить массу оптической звезды (~20Mсолн.). А вот померить аналогичным способом массу компактного объекта не удавалось, поскольку слабые линии поглощения в спектре оптической звезды "забивались" мощным излучением аккреционного диска. И вот это наконец удалось сделать! Наблюдения велись на 2.7-м телескопе в обсерватории Техасского университета. Были получены три высококачественных спектра, показанных на этом графике. 
В них, с помощью достаточно сложно обработки, удалось выделить линии оптического компонента. Этот спектр изображен на следующем графике жирной линией. А ниже для сравнения приведены спектры трех звезд ранних спектральных классов. 
Обработка наблюдений дала следующие результаты:
Значит в SS 433 все-таки черная дыра! Открыта космическая струна 
В препринте astro-ph/0302547 сообщается от открытии необычного объекта CSL-1 (Каподимонте-Штернберг[ГАИШ]-кандидат в линзы No.1), изображение которого вы видите на фотографии. Красное смещение этого объекта составляет z=0.46. Причем, изофоты объекта практически не искажены. 
Это может быть пара почти идентичных галактик, причем данная система может оказаться как физической, так и визуальной двойной. Но гораздо более интересной была бы ситуация гравитационного линзирования на космической струне. В отличие от обычных гравитационных линз (см., например, APOD от 10.06.2001) струна создает два идентичных и практически не искаженных изображения объекта. Возможное положение космической струны показано на рисунке красным цветом. Для проверки данной гипотезы требуются наблюдения с более высоким разрешением. Прикроемся подушкой Американский ученый Германн Берчард (Hermann Burchard) из университета штата Оклахома предложил весьма оригинальный способ защиты от потенциально опасных для Земли астероидов, последствия столкновения которых с нашей планетой могут быть самыми ужасающими. Так, Берчард предлагает использовать не ядерный заряд, который в некоторых случаях может оказаться неэффективным, а гигантскую надувную подушку, после соприкосновения с которой траектория астероида несколько изменится. Для вывода подушки в космос предполагается использовать космический аппарат, который, приблизившись к объекту на достаточное расстояние, надует мешок газом, образовавшимся в результате химической реакции. Переданного подушке импульса будет достаточно, чтобы оттолкнуть астероид размером до десяти километров в поперечнике – при этом сам мешок, естественно, будет иметь еще более внушительные габариты. По мнению Берчарда, мешок будет состоять из сверхпрочного пластика, способного выдержать столь большую массу – например, полиэфирного полимера под названием майлар (mylar). Разгадана одна из самых таинственных загадок Вселенной Hаша Вселенная никогда не начнет сжиматься, она будет расширяться и расширяться, пока звезды не исчезнут и мир не превратится в гигантское облако сильно разреженного газа. В последнем номере главного физического журнала "Physical Review Letters" опубликована статья, ставящая окончательную точку в загадке, над разрешением которой физики всего мира бились около тридцати лет. Международная команда, включающая в себя около ста ученых из США, Канады и Великобритании, разобралась, наконец, куда деваются солнечные нейтрино по пути к Земле, сколько они весят и что из этого всего следует. Hейтрино иногда называют частицей-призраком, поскольку, как долго считалось, она вообще не имеет массы. Ее очень трудно зарегистрировать, она пронизывает Землю, словно это не Земля, а вакуум; лишь редко-редко, при очень большом "везении", она вступает во взаимодействие с каким-нибудь нейтроном и это взаимодействие можно зафиксировать. Когда первые нейтринные детекторы, помещенные глубоко под земной поверхностью, чтобы отсечь "шум" от остальных космических гостей, стали в начале семидесятых считать нейтрино, зарождающиеся во время термоядерных реакций, идущих в центре Солнца, то выяснилась удивительная вещь - этих нейтрино оказалось намного меньше, чем предсказывает теория. Физикам предстояло выбрать одно из двух объяснений - либо мы не понимаем процессов, идущих внутри Солнца, либо солнечные нейтрино куда-то деваются на пути в сто пятьдесят миллионов километров, отделяющих нас от светила. Довольно скоро возникло подозрение, что верно второе объяснение. Дело в том, что вообще-то нейтрино бывают трех типов - электронные, мюонные и тау-нейтрино. В недрах Солнца рождаются электронные нейтрино. Из всех трех видов они намного чаще вступают в реакцию с нейтронами - остальных двух первые нейтринные детекторы практически не видели. Возникла гипотеза, что по пути от Солнца электронные нейтрино меняют свой "аромат" (квантовая характеристика, по которой три вида нейтрино отличаются друг от друга) и превращаются в тау- или мюонные. Hо для такого превращения необходимо было, чтобы нейтрино имело умопомрачительно маленькую, почти незаметную, но все-таки массу. И все эти годы ученые бились над тем, чтобы эту массу найти. Год назад результаты наблюдений на мощнейшем японском нейтринном детекторе Суперкамиоканде косвенно подтвердили подозрения физиков насчет массивности безмассовой частицы. Сегодня результаты наблюдений на канадском детекторе SNO (Sudbury Neutrino Observatory) и сравнение их с данными других детекторов дали этим подозрениям прямое подтверждение. SNO находится на дне двухкилометровой никелевой шахты. Там, в естественной пещере размером с десятиэтажный дом, в акриловом "аквариуме" хранится тысяча тонн тяжелой воды. Примерно раз в час солнечное нейтрино проходит так близко от одного из нейтронов, входящих в состав этой тысячи тонн, что происходит реакция, которая сопровождается еле заметной световой вспышкой; она улавливается специальными детекторами, и потом, по ее параметрам, физики определяют, каким типом нейтрино она вызвана. Данные полученные на SNO, показали, что примерно две трети электронных нейтрино по пути от Солнца превращаются частично в мюонные, частично в тау-нейтрино. Вычислена, наконец, и масса частицы-призрака - это параметр необычайной важности как для современных физических теорий, так и для судьбы нашей Вселенной. Оказалось, что все нейтрино Вселенной весят примерно столько же, сколько все видимые звезды вокруг. Это очень мало. Это не решает загадки "темной массы Вселенной", о которой "Пресс-Центр.Ру писал несколько раз, - нейтрино, как выяснилось, восполняют дефицит массы всего на 18 процентов, а где остальное, пока не знает никто. Вдобавок, слишком малая масса у нейтрино приводит к тому, что наша расширяющаяся Вселенная никогда не начнет сжиматься, она будет расширяться и расширяться, пока звезды не исчезнут и мир не превратится в гигантское облако сильно разреженного газа.
Е Обнуляющая интерферометрия (nulling interferometry) позволяет так скомбинировать сигнал нескольких телескопов, что яркая звезда будет вычленена из изображения, на котором останется лишь значительно более тусклая планета. Обычная интерферометрия предусматривает сложение пиков сигнала для достижения его значительного усиления. В данном же случае все происходит с точностью до наоборот: пики складываются с провалами сигнала, а звезда при этом попросту исчезает. В тоже время это не касается планет, вращающихся вокруг звезды, так как они сдвинуты по отношению к ней, а их свет проделывает различные пути через оптическую систему телескопа. Совместными усилиями ESA и ESO планируют построить GENIE (Наземный Исследовательский Аппарат Обнуляющей Интерферометрии - Ground-based European Nulling Interferometer Experiment), который вкупе с четырьмя 8-метровыми чилийскими телескопами поможет провести полномасштабное изучение перспективной технологии. Полученные в ходе испытаний данный ученые используют для разработки узлового космического аппарата флотилии Дарвина. Запланированный к запуску в середине следующего десятилетия этот проект предполагает отправку в космос двух специализированных кораблей и шести телескопов, свет которых будет собираться в центральном, узловом корабле. По мнению ученых, GENIE должен сыграть необычайно большую роль в развитии проекта Darwin, по той простой причине, что с его помощью можно будет заниматься настоящими научными исследованиями. Предполагаемая дата ввода GENIE в эксплуатацию - 2006 год. С  крученное Землей пространство
Подтверждено еще одно предсказание теории относительности, причем в этот раз для Земли. Согласно ОТО, любое вращающееся тело искривляет или, скорее, скручивает пространство вокруг себя таким образом, что заставляет окружающие его тела двигаться в сторону своего вращения. Эффект был обнаружен по 11-летней лазерной локации двух спутников LAGEOS (LAser GEOdynamics Satellites). Вращение Земли вызывает сдвиг их орбиты примерно на 2 метра в год. Данный эффект известен под разными именами: эффект увлечения (инерциальных) систем отсчета, гравимагнитный эффект или эффект Лензе-Тирринга. В последнем названии упомянуты имена Австралийских физиков Джозефа Лензе (Joseph Lense) и Ганса Тирринга (Hans Thirring), которые предсказали этот эффект в 1918 году, всего через два года после публикации Эйнштейном своей теории гравитации. Экспериментально подобный эффект был с достаточной точностью зафиксирован в системах двойных пульсаров, где релятивистские эффекты существенно выше. Первое сообщение о возможном обнаружении его в \"окрестностях Земли\" было опубликовано той же группой исследователей спутников LAGEOS-I и II в конце 90-х, но тогда точность результатов была невелика. Сегодня же увлечение спутников вращающейся Землей можно считать достоверно установленным Спутники LAGEOS, за которыми велось наблюдение, представляют собой сплошные металлические шары диаметром 60 см поверхность которых усеяна уголковыми отражателями. Никакой другой аппаратуры или электроники на их борту не установлено. На приведенном вверху изображении показана Земля (в виде глобуса силы тяжести на поверхности) с обращающимся вокруг неё спутником LAGEOS. Темная материя выпадает в осадок Физики и астрономы уверены, что примерно на 20-30 процентов наша Вселенная состоит из т.н. темного вещества. Его природа остается загадкой. По всей видимости это какие-то элементарные частицы, слабовзаимодействующие с обычным веществом, а потому из присутствие пока обнаруживается только по гравитационному воздействию. Существует много кандидатов на роль частиц темной материи (нейтралино, аксионы и т.д.). Для окончательного решения проблемы темной материи необходимо зарегистрировать частицы в лаборатории (“ухватить за бороду”, как пел о нейтрино Владимир Высоцкий В настоящее время проводится несколько соответствующих экспериментов, но пока частицы незарегистрированы. Проблема усугубляется тем, что экспериментаторы не знают точно, что им нужно искать: теоретики дают слишком много вариантов. Не все из существующих теоретических возможностей проверены одиноково хорошо. С. Митра (S. Mitra) из университета Амстердама и Р. Фут (R. Foot) из Мельбрунского университета обращают внимание на то, что пока недостаточно проверена одна из гипотез. Она заключается в том, что кроме того, что частицы темной материи могут достаточно сильно взаимодействовать друг с другом, чтобы образовывать “гранулы” (grains), они могут достаточно сильно взаимодействовать с обычным веществом, чтобы находиться вокруг нас. Такие частицы получаются в некоторых теориях с т.н. “зеркальной симметрией”. Например, ряд интересных явлений (типа аномальных болидов) предсказывается Митрой и Футом, если темная материя имеет электромагнитную связь с обычной материи на уровне от 10-10 (одной десятимиллиардной) до 10-6 (одной миллионой) от обычной кулоновской энергии видимого вещества. 
Цетрифуга (с сайта ChemSoc) По мнению авторов обнаружить такие частицы (точнее гранулы) можно с помощью центрифуги, используя обычное вещество в качестве фильтра. Современные центрифуги,берущие начала от ультрацентрифуги Нобелевского лауреата Теодора Сведберга (см. рис.), могут давать ускорение до 106g. При упомянутой выше силе связи гранулы из частиц темной материи просто “вылетят” из исследуемого образца при работе центрифуги, если их размер больше 100 микрон. Соответственно масса уменьшится, что можно будет зарегистрировать. По мнению Митры и Фута этого может быть достаточно для обнаружения частиц, если они составляют более миллионой доли (по массе) в исследуемом образце (отрицательный результат эксперимента позволит наложить важные верхние пределы на параметры частиц темной материи, в частности может показать, что связь должна быть слабее 10-10 от обычной кулоновской ). верхности) с обращающимся вокруг неё спутником LAGEOS. Ученые сделали будущее еще чернее Британские ученые создали самый черный в мире цвет – он в 25 раз чернее обычного. Сверхчерное покрытие изобрела Национальная физическая лаборатория (NPL) в Лондоне. Оно поглощает 99,7% света, а потому является самой черной на планете поверхностью, отражающей минимальное количество света. Существующие промышленные черные покрытия абсорбируют максимум 99,4% света. Самая хорошая черная краска – лишь 97,5%. Черная краска, которой напечатаны буквы в газете, поглощает 95-96% света. Под определенным углом новое покрытие, получившее название NPL Super Black, отражает в 25 раз меньше света, чем существующие образцы конкурентов. Это открытие позволит резко изменить конструкцию таких оптических приборов, как телескопы, спектроскопы и радиометры, в которых черная краска применяется для того, чтобы минимизировать влияние случайного света. Новое покрытие создано на основе сплава никеля и фосфора. Оно очень устойчиво, сохраняет свои качества даже при очень низких температурах, например в космосе. Ученые считают, что оно позволит повысить точность таких орбитальных инструментов, как космический телескоп “Хаббл”. Агентство скоростных трасс надеется, что это вещество можно будет использовать для покрытия дорожных знаков. Однако производить на основе этого покрытия краску или чернила невозможно, потому что технологический процесс очень сложен. Как рассказал журнал New Scientist, объект на пять часов помещается в раствор сульфата никеля и гипофосфита натрия. В результате на поверхности образуется слой никеля и натрия. Потом объект погружается в азотную кислоту, которая делает слой металлов сверхчерным. Ричард Браун, старший научный сотрудник NPL, руководивший исследованиями, сказал: “NPL Super Black может применяться в самых разных областях науки и технологии. Новое покрытие имеет множество преимуществ. Одно из преимуществ состоит в том, что оно не трескается при самых низких температурах”. Покрытие можно применять при создании устройств, с помощью которых космические спутники определяют свое местонахождение по звездам. Это устройство состоит из трубки длиной 50 см, окрашенной черной краской. Черная краска поглощает случайный свет, позволяя следить за звездами. Благодаря NPL Super Black эта трубка будет в три раза короче, космические спутники станут легче, запуск из будет обходиться дешевле. Некоторые художники тоже заинтересовались новым покрытием. “Это очень красивая поверхность, – подчеркнул Найджел Фокс, ведущий оптик NPL. – Похоже на черный бархат”. Черная дыра разорвала звезду: прямые наблюдения Это произошло в галактике RX J1242-1119A, в ее центре. Сверхмассивная центральная черная дыра (подобные объекта наблюдаются в очень многих спиральных галактиках) разорвала приливными силами пролетевшую слишком близко от нее звезду. Большая часть вещества звезды после этого была захвачена черной дырой, что вызвало яркую рентгеновскую вспышку. В рентгеновском диапазоне это явление наблюдалось орбитальными обсерваториями Chandra и XMM/Newton, для сравнения использовались архивные данные рентгеновской обсерватории ROSAT. Оптические наблюдения велись на телескопах обсерватории La Silva (ESO). Данное явление - разрыв и захват звезды массивной черной дырой - было предсказано более тридцати лет назад, но наблюдается впервые. Энерговыделение сравнимо со взрывом сверхновой, но спектр и эволюция потока говорят, что это был приливной разрыв звезды, а не взрыв обычной сверхновой. Специалисты, проводившие наблюдения под руководством Stefanie Komossa (MPE Garching), оценивают, что всего один процент массы звезды был захвачен черной дырой, а остальная масса рассеялась в пространстве. Следует заметить, что это событие произошло не сегодня, максимум светимости, вызванный аккрецией вещества из разорванной звезды на черную дыру, уже давно прошел, сегодня источник в центре RX J1242-1119A уже примерно в 200 раз слабее, чем при наблюдениях его ROSAT, более 10 лет назад. А “сенсационная публикация” связана с завершением очередного этапа обработки наблюдений. Уже в 1999 была опубликована статья с интерпретацией наблюдений RX J1242-1119A как свидетельство приливного разрушения звезды сверхмассивной черной дырой. Теперь опубликован и электронный препринт (astro-ph/0402468) с новыми данными. 
Изображение сверху – результат компьютерного моделирования процесса разрыва звезды, внизу слева – рентгеновское изображение источника с борта обсерватории Chandra, внизу справа – оптическое изображение данной галактики, черная дыра – яркое пятно в центре кружка. жүктеу/скачать 5.53 Mb. Достарыңызбен бөлісу:
|
вропейское Космическое Агентство (ESA) и Южная Европейская Обсерватория (ESO) планируют провести испытания технологии, способной оказать значительную помощь при поиске соседствующих со звездами планет.